전원·디스플레이 동시에 가능한 전지 개발

- 기존 소자 제작 방식 한계 넘어 새로운 방향 제시로 광전자 소자 기술 기반 마련

국내 연구진이 발전·발광이 모두 가능한 발광 전지를 최초 개발했다. 이 기술이 상용화되면 사물인터넷에서 전원과 디스플레이 역할을 동시에 수행할 수 있어 기대가 된다. 
 
울산과학기술원 김진영 교수 연구팀이 세계 최초로 빛을 전기로 바꾸는 태양전지와 전기를 빛으로 바꾸는 발광 소자(LED) 기능을 하나로 통합한 발광 전지를 개발했다. 이 연구내용은 에너지 분야 국제학술지 에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science) 8월 10일자에 논문명 <Peroptronic Devices: Perovskite-Based Light-Emitting Solar Cells>으로 게재됐다. 저자정보 : 김진영 교수(교신저자, 울산과학기술원),브라이트 워커(Bright Walker) 박사(교신저자, 울산과학기술원),김학범(제1저자, 울산과학기술원).
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▲페롭트로닉 소자(Peroptronic device)의 발전,발광 구동원리. 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)는 페로브스카이트 물질을 사용하여 단일 구조에서 복합적 기능이 가능한 광전자 소자이다. 광활성층(MAPbBr3)에서 전하 캐리어의 생성 및 재결합이 이루어지며 전하 수송층은 전하 캐리어의 추출 또는 주입을 담당한다. 이 소자에서 빛을 흡수할 때에는 전하가 추출되면서 전기가 생성되고, 전기가 주입될 때에는 전하가 결합하여 빛이 발광된다. 각각의 과정을 통해 발전과 발광이 선택적으로 이루어진다.
 
태양전지와 발광 소자(LED)는 구조와 제작 공정이 매우 유사하다. 그러나 태양전지는 전하가 추출되면서 전기가 발생하고 발광 소자는 전하가 주입되면서 빛이 발생하는 원리로, 소자가 작동하는 방식이 정반대이다. 이에 태양전지와 발광 소자의 효율을 극대화하는 연구가 각각 진행될 뿐, 이들에 대한 통합연구가 부족했다.

연구팀은 빛에너지의 흡수와 발광이 모두 가능한 페로브스카이트 물질을 사용하여 단일 소자에서 발전과 발광이 모두 가능한 새로운 복합기능성 소자를 만들고, 이를 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)라고 명명했다. 페로브스카이트는 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물이다. 

페롭트로닉 소자는 두 가지 기능을 동시에 가지는 페로브스카이트 기반 복합기능성 단일 소자를 일컫는 용어로 본 연구진이 만든 신조어다.
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▲용액 공정 방법을 이용한 페롭트로닉 소자(Peroptronic device) 제작 과정. 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)는 용액 공정 방법을 활용하여 제작이 가능하다. 투명전극/정공 수송층(ITO/PEDOT:PSS) 위에 페로브스카이트(MAPbBr3) 광활성층 박막을 형성하고, 그 위에 전자 수송층(ETL) 박막을 형성한 뒤 은(Ag) 등의 전극을 증착함으로서 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)가 완성된다. 용액 공정 방식은 기계적 유연성을 갖는 매우 얇은 소자로 제작할 수 있도록 해준다. 이는 웨어러블이나 사물인터넷 분야에도 적용 가능하며 광범위한 특성을 가지고 있어 다양한 광전자 소자에 응용할 수 있다.
 
페롭트로닉 소자에는 특정 음이온(BIm4)이 포함되어 있는 고분자 전해질(전하를 갖고 있어 전해질의 성질이 있는 고분자) 층을 도입하였으며, 이 물질의 도움으로 전하가 페로브스카이트에 쉽게 주입되거나 추출되는 것이 모두 가능해졌다. 
 
이 소자는 사물인터넷에서 전원 및 디스플레이 역할을 동시에 수행할 것으로 기대된다. 또한 유연한 필름을 코팅할 때 사용하는 용액공정(필름을 입힐 때 소재를 용매에 녹여 코팅하는 공정)으로 제작하면 구부러지고 휘어지는 웨어러블 기기에도 적용할 수 있다. 기존 실리콘 등의 무기물 전자 소자에 비해 공정과정이 간단하고 제작비용이 저렴한 장점도 있다.

김진영 교수는 “이번 연구성과는 이분화되어 있던 태양전지와 발광 소자를 단일 구조에서 모두 구현시킨 차세대 혁신 소자의 개발이며, 이번 광전자 소자(광전력을 변화시키는 소자 또는 광출력을 내거나 변환시키는 소자) 기술의 통합으로 에너지 분야에 패러다임 변화를 기대한다”라고 설명했다. 

 
[김들풀 기자  itnews@itnews.or.kr]